Luận văn thạc sĩ Kỹ thuật cơ khí động lực: Khảo sát sự ành hưởng hình học cánh thu nhiệt đến sự phân bố nhiệt độ theo chiều dọc của bộ phát nhiệt điện sử dụng nguồn nhiệt thải từ xe gắn máy

TỔNG QUAN

Đặt vấn đề

Ngành giao thông vận tải là ngành nghề quan trọng trong mỗi nền kinh tế Tại Việt Nam, nhu cầu vận chuyển trong giao thông vận tải là rất lớn Đối với vận tải người, khối lượng luân chuyển hành khách năm 2020 đã đạt hơn 400 tỷ hành khách.km [1] và dự báo tiếp tục tăng trưởng, đạt mức 1.500 tỷ hành khách.km vào năm 2050 Nguồn năng lượng hiện nay cho ngành chủ yếu từ nhiên liệu hóa thạch (Xăng, Diesel) và chiếm khoảng 85% Theo các kịch bản dự báo kinh tế, nguồn năng lượng từ Điện sẽ dần chiếm ưu thế tuy nhiên nguồn nhiên liệu hóa thạch vẫn sẽ duy trì đáp ứng cho vận chuyển 400 – 800 tỷ hành khách.km mỗi năm

Hình 1.1 Nhu cầu vận tải hành khách theo loại nhiên liệu [1]

(BSL: Kịch bản dự báo cơ sở; GT: Kịch bản giao thông xanh; NZ: Kịch bản hướng tới phát thải ròng bằng không) Đối với vận tải hàng hóa, đường thủy đóng vai trò chủ lực trong vận chuyển hàng hóa tại Việt Nam với tỷ trọng 50 – 60% Tổng khối lượng luân chuyển hàng hóa năm 2020 đạt hơn 250 tỷ tấn.km [2] và đạt hơn 2.000 tỷ tấn.km vào năm 2050 Nguồn nhiên liệu sử dụng vẫn chủ yếu là nhiên liệu hóa thạch và vẫn sẽ duy trì tỷ trọng lớn bất chấp nhiều kịch bản điện hóa phương tiện giao thông

Hình 1.2 Nhu cầu vận tải hàng hóa theo loại nhiên liệu [1]

(BSL: Kịch bản dự báo cơ sở; GT: Kịch bản giao thông xanh; NZ: Kịch bản hướng tới phát thải ròng bằng không) Đối với những phương tiện vận tải sử dụng động cơ đốt trong, việc nâng cao hiệu suất sử dụng năng lượng là một vấn đề luôn được các nhà khoa học quan tâm từ trước đến nay Trong quá trình hoạt động của động cơ, có đến khoảng 40% năng lượng từ quá trình cháy diễn ra bên trong động cơ bị xả thẳng ra môi trường bên ngoài thông qua khí thải [3] Qua đó, các nghiên cứu được thực hiện với việc tận dụng các đặc tính của khí thải động cơ đốt trong làm một nguồn năng lượng như là năng lượng tái chế Đây được xem là một tiềm năng trong tương lai vì sự vận hành của nó được thực hiện trên các nguyên lí về truyền nhiệt và có thể thu hồi nhiệt thải từ bất kì hệ thống nào; và không có bất kì một bộ phận chuyển động nào trong kết cấu nên cần rất ít sự bảo trì, bảo dưỡng (tương tự như công nghệ pin mặt trời) Đối với việc sử dụng thiết bị nhiệt điện sử dụng nguồn nhiệt thải từ động cơ đốt trong (động cơ tĩnh tại, trên ô tô, xe gắn máy, …), mặc dù hiệu suất chuyển đổi từ nhiệt năng thành nhiệt năng chưa cao nhưng công nghệ nhiệt điện hiện vẫn đang được chú ý trên toàn thế giới

Hình 1.3 Phân bổ năng lượng của động cơ đốt trong [3]

Ngoài Giao thông Vận tải, năng lượng và nguồn năng lượng là bài toán lớn ở hầu hết ngành nghề, đa phần ngành nghề đều cần năng lượng để duy trì hoạt động [1], trong đó nhiên liệu hóa thạch hiện đang chiếm 50 – 80% tỷ trọng tùy theo ngành nghề Ngành Giao thông vận tải là ngày sử dụng năng lượng nhiều thứ nhì, ở mức >20% chỉ sau lĩnh vực công nghiệp

Hình 1.4 Nhu cầu sử dụng năng lượng theo ngành nghề (BSL: Kịch bản dự báo cơ sở; GT: Kịch bản giao thông xanh; AP: Kịch bản ô nhiễm; NZ: Kịch bản hướng tới phát thải ròng bằng không)

Các công trình nghiên cứu trước đây

Công nghệ nhiệt điện sử dụng nguồn nhiệt thải từ động cơ đốt trong lần đầu tiên được áp dụng nghiên cứu trên ô tô bởi Birkholz [4] vào năm 1980 với một mô- đun TEG FeSi2 và sản xuất thành công 1W điện, vén màn cho quá trình nghiên cứu về việc ứng dụng công nghệ nhiệt điện sử dụng nguồn nhiệt thải từ động cơ đốt trong

Kim S K và cộng sự [5], Đại học Quốc gia Chungbuk - Hàn Quốc, đã tiến hành nghiên cứu bộ phát nhiệt điện trên hệ thống xe hybrid với một bộ gồm 112 mô-đun Bi2Te3 và thu được công suất cực đại là 350W khi nhiệt độ tại bề mặt mặt nóng của thiết bị nhiệt điện đạt 170 O C

Hình 1.5 Mô hình thí nghiệm của Kim S K và cộng sự [5]

Jeng T M và cộng sự [6], Đại học Công nghệ Chienkuo – Đài Loan, đã tiến hành nghiên cứu bộ phát nhiệt điện gồm 4 mô-đun TGM-287-1,0-1,5, sử dụng nguồn nhiệt thải từ động cơ xăng bốn kì 35,8cc với bộ thu nhiệt và bộ tản nhiệt dạng vách trụ, trong đó bộ tản nhiệt hoạt động dưới sự hỗ trợ của quạt làm mát Nghiên cứu đã chỉ ra rằng nếu tốc độ động cơ tăng, công suất phát ra của bộ phát nhiệt điện sẽ tăng; nhưng khi tăng tốc độ của quạt làm mát, công suất phát ra của bộ phát nhiệt điện sẽ không thay đổi Kết quả công suất thu được 2,5W khi động cơ hoạt động ở tốc độ 5.400 vòng/phút (tốc độ động cơ đạt mô-men xoắn cực đại), và hơn 5W khi tốc độ động cơ đạt 7.000 vòng/phút

Hình 1.6 Sơ đồ cấu tạo bộ phát nhiệt điện của Jeng T M và cộng sự [6]

Tuy nhiên, trong điều kiện vận hành đô thị với lưu lượng dòng khí xả từ động cơ không ổn định và phân bố không đồng đều khi đi qua bộ trao đổi nhiệt đã dẫn tới chênh lệch nhiệt độ giữa các module TEG Hiện tượng này không chỉ làm công suất phát giữa các module TEG chênh lệch mà còn có thể dẫn tới hiện tượng quá nhiệt làm suy giảm tuổi thọ các module.

Các công trình nghiên cứu tại Việt Nam

Ở Việt Nam, công nghệ nhiệt điện cũng đã và đang được quan tâm với một số công trình nghiên cứu như: Lê Quang Vũ [7], Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM, đã tiến hành nghiên cứu trên động cơ Toyota 5S-FE 2,2L với 16 mô-đun HTG1-

12710 và thu được gần 16W trong điều kiện động cơ hoạt động ở chế độ không tải; Nguyễn Văn Hĩu [8], Đại học Bách khoa – ĐHQG TP HCM, lần đầu tiên tiến hành nghiên cứu, lắp đặt hệ thống bộ phát nhiệt điện trên xe gắn máy Yamaha Sirius 110cc với 8 mô-đun SP1848-27145SA và thu được 2,75W với vận tốc 60 km/h;

Hình 1.7 Hệ thống thí nghiệm bộ phát nhiệt điện của Nguyễn Văn Hĩu [8]

Tiếp nối sự thành công của công trình nghiên cứu của tác giả Nguyễn Văn Hĩu, Võ Tấn Phát [9], Đại học Bách khoa – ĐHQG TP HCM, đã tiến hành nghiên cứu, lắp đặt hệ thống bộ phát nhiệt điện trên xe gắn máy Suzuki Sapphire 125 cùng

8 mô-đun TEP1- 142T300 Kết quả thu được 14,61W khi xe di chuyển ở vận tốc trung bình 60km/h tương ứng với chênh lệch nhiệt độ trung bình giữa hai bề mặt thiết bị nhiệt điện là 124 o C

Hình 1.8.Hệ thống bộ phát nhiệt điện của Võ Tấn Phát [9]

(a) sơ đồ hệ thống, (b) mô hình thực tế

Năm 2018, tiến sĩ Hồng Đức Thông và nhóm các sinh viên tại Đại học Bách Khoa TPHCM [10] đã nghiên cứu mô phỏng và thực nghiệm nhiệt độ bề mặt nóng và bề mặt lạnh của bộ phát nhiệt điện sử dụng nguồn nhiệt khí thải xe máy Kết quả cho thấy nhiệt độ ổn định sau khoảng gần 300s và kết quả giữa mô phỏng với thực nghiệm có độ chênh lệch rất lớn Nguyên nhân là do bề mặt của bộ thu nhiệt và tản nhiệt trên thực tế có độ nhám lớn, mụi than đóng bên trong cánh thu nhiệt đã làm nhiệt độ nhận được của bộ thu nhiệt thấp đi đáng kể, làm cho kết quả thực nghiệm thấp hơn mô phỏng rất nhiều

Năm 2020, tiến sĩ Hồng Đức Thông và cộng sự [11] đã nghiên cứu mô phỏng và thực nghiệm Nhóm đã khảo sát sự ảnh hưởng của chiều cao ống giảm thanh và kết cấu cánh hướng dòng đến sự phân bố nhiệt độ trên mặt nóng của bộ thu nhiệt Kết quả cho thấy rằng khi giảm chiều cao ổng giảm thanh và lắp thêm cánh hướng dòng đã cải thiện rõ rệt mức độ đồng đều của nhiệt độ trên mặt nóng bộ thu nhiệt.

Các vấn đề còn tồn đọng

Mặc dù có nhiều nghiên cứu tuy nhiên việc tối ưu nhiệt độ khí để cho ra dòng điện đều là vấn đề cần thiết Các cánh thu nhiệt ở khu vực đầu ống xả luôn bị nóng hơn cánh thu nhiệt khu vực đuôi ống xả, sẽ làm ảnh hưởng tuổi thọ bộ TEG phát điện, vì vậy cần nghiên cứu tối ưu dòng nhiệt độ

Hình 1.9 Mô hình bộ phát nhiệt điện

Đối tượng nghiên cứu

Đối tượng cần nghiên cứu trong đề tài này là mô hình bộ phát nhiệt điện lắp trên ống xả của động cơ xe gắn máy Cụ thể, cần nghiên cứu hình dạng cánh thu nhiệt trong bộ phát nhiệt điện.

Phạm vi nghiên cứu

Nghiên cứu bao gồm: tính toán, mô phỏng và thực nghiệm một (hoặc nhiều) biên dạng cánh thu nhiệt nhằm tối ưu, đảm bảo nhiệt lượng chênh lệch không quá nhiều ở các điều kiện vận hành.

Mục tiêu nghiên cứu

Đề tài bao gồm 3 mục tiêu chính:

- Tính toán biên dạng cánh thu nhiệt tối ưu

- Mô phỏng cánh thu nhiệt tối ưu

- Kiểm tra thực nghiệm và kết luận.

Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn

1.8.1 Ý nghĩa khoa học: Đề tài đóng vai trò là mảnh ghép giúp tối ưu, nâng cao hiệu suất Bộ Phát điện sử dụng nguồn nhiệt thải từ động cơ đốt trong Trong điều kiện làm việc biến thiên và khắc nghiệt của động cơ, khí thải từ ống xả cũng biển đổi và mang nhiều tính chất vật lí phức tạp như vận tốc, nhiệt độ, áp suất, độ nhớt,… do đó việc tính toán, mô phỏng và kiểm tra thực nghiệm một (hoặc nhiều) biên dạng cánh tối ưu giúp tối ưu vận hành, gia tăng tuổi thọ bộ phát nhiệt TEG

Ngoài ra đề tài còn là tiền đề nghiên cứu, đánh giá Bộ phát nhiệt điện trên các ổng xả khác với nguồn nhiệt từ động cơ đốt trong

Với việc hoàn thành đề tài nghiên cứu bằng phương pháp mô phỏng và thực nghiệm, tác giả tiếp cận được phương pháp nghiên cứu khoa học chuyên nghiệp, tạo tiền đề cho chặng đường nghiên cứu khoa học sau này Đối với bộ phát nhiệt điện sử dụng nhiệt từ ống xả xe máy, nghiên cứu giúp tìm ra biên dạng cánh phù hợp để vận hành hiệu quả hơn, ứng dụng điện năng sinh ra cho các mục đích: sử dụng cho phụ tải trên ô tô, xe gắn máy, bổ sung nguồn cấp điện cho các xe hybrid và plug-in hybrid, gián tiếp góp phần giải quyết các vấn đề an ninh năng lượng và ô nhiễm môi trường.

Phương pháp nghiên cứu

1.9.1 Phương pháp phân tích tư liệu có sẵn

Thu thập, chọn lọc thông tin từ các công trình nghiên cứu đi trước, các tạp chí khoa học, bài báo khoa học trong và ngoài nước có liên quan đến vấn đề nghiên cứu

Dự đoán biên dạng để có thể thu nhiệt tối ưu, từ đó xây dựng mô hình tính toán để mô phỏng và thực nghiệm kiểm chứng

Sử dụng thống kê, bảng số liệu, đồ thị và biểu đồ để đánh giá, so sánh và nhận định các kết quả thu thập được

Lắng nghe tiếp thu và ghi nhận ý kiến từ giảng viên hướng dẫn để thực hiện đề tài nghiên cứu

Thử nghiệm kết quả mô phỏng bằng mô hình thực tế để kiểm chứng và đánh giá kết quả.

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Lý thuyết truyền nhiệt

Truyền nhiệt là dạng truyền năng lượng khi có sự chênh lệch về nhiệt độ, có ba dạng truyền nhiệt cơ bản là: truyền nhiệt bằng dẫn nhiệt, truyền nhiệt đối lưu, truyền nhiệt bức xạ

Là quá trình dẫn nhiệt khi có sự chênh lệch nhiệt độ giữa các vật rắn tiếp xúc hoặc trong một vật rắn Định luật Fourier phát biểu về hiện tượng này như sau: Mật độ dòng nhiệt chảy qua một vật liệu trong một đơn vị thời gian tỷ lệ thuận với trái dấu của gradien nhiệt độ theo chiều dòng nhiệt và với diện tích vuông góc với dòng nhiệt ấy

Hình 2.1 Lý thuyết dẫn nhiệt

Dòng nhiệt truyền qua vật trong 1(s) theo phương x được tính theo định luật Fourier: x [W]

Qx: dòng nhiệt truyền theo phương x trong thời gian 1s (W) qx: mật độ dòng nhiệt truyền theo phương x trong thời gian 1s (W/m 2 )

F: diện tích tiết diện vuông góc với phương x (m 2 )

T: nhiệt độ tuyệt đối của vật (K) λ: hệ số dẫn nhiệt của vật (W/m.K)

Do quy ước chiều dương của vectơ gradient nhiệt độ là chiều tăng của nhiệt độ còn vectơ mật độ dòng nhiệt luôn đi từ nhiệt độ cao đến nhiệt độ thấp nên có dấu trừ “–” trong phương trình trên

Là quá trình trao đổi nhiệt xảy ra khi giữa bề mặt vật rắn tiếp xúc với môi trường chất lỏng (khí) có nhiệt độ khác nhau

Trong kỹ thuật để tính toán đơn giản quá trình trao đổi nhiệt đối lưu người ta thường dùng công thức Newtơn:

: hệ số tỏa nhiệt đối lưu (W/m O C)

F: diện tích bề mặt trao đổi nhiệt (m 2 )

Tw: nhiệt độ trung bình của bề mặt ( O C)

Tf: nhiệt độ trung bình của chất lỏng (khí) ( O C)

Hình 2.2 Truyền nhiệt đối lưu

Là quá trình trao đổi nhiệt xảy ra giữa các vật có nhiệt độ khác nhau đặt cách xa nhau Năng lượng bức xạ truyền trong không gian dưới dạng sóng điện từ.

Hiện tượng và hiệu ứng nhiệt điện

Là sự chuyển đổi trực tiếp năng luợng nhiệt thành năng lượng điện và ngược lại Hiện tượng này có thể được sử dụng để tạo ra điện

2.2.2 Hiệu ứng nhiệt điện (Seebeck)

Hiệu ứng Seebeck [12] là sự chuyển hóa chênh lệch nhiệt độ thành điện thế và được đặt theo tên nhà vật lý người Đức, Thomas Seebeck (1770 – 1831), phát hiện vào năm 1821 Ông phát hiện ra rằng kim la bàn sẽ bị lệch hướng khi đặt cạnh một mạch kín được tạo bởi hai kim loại nối với nhau, có sự chênh lệch nhiệt độ giữa hai mối hàn Điều này là do các kim loại phản ứng khác nhau với sự chênh lệch nhiệt độ, tạo ra dòng điện và một điện trường Tuy nhiên, ông không nhận ra sự có mặt của dòng điện Điều khiếm khuyết này được nhà vật lý người Đan Mạch Hans Christian Orsted chỉ ra và đặt ra khái niệm “nhiệt điện” Điện thế tạo ra bởi hiệu ứng này theo đơn vị μV/K Ví dụ: cặp đồng- constant có hệ số Seebeck bằng 41μV/K ở nhiệt độ phòng Mạch kín nói trên được gọi là cặp nhiệt điện

Hình 2.3 Hiệu ứng Seebeck Điện áp tạo ra do hiệu ứng Seebeck: Us = S.(Th –Tc)

- A, B: hai kim loại khác nhau,

- Th: nhiệt độ mặt nóng (K),

Nguyên lý hoạt động của máy phát điện kiểu nhiệt điện dựa vào các hiệu ứng nhiệt điện mà chủ yếu là hiệu ứng Seebeck Trong thiết bị nhiệt điện, vật liệu nhiệt điện được đặt giữa bên nóng và bên lạnh và giữa các bộ trao đổi nhiệt Các vật liệu nhiệt điện được tạo thành từ chất bán dẫn loại p và loại n Bên dưới là cấu trúc bên trong của một module nhiệt điện.

Hình 2.4 Mô hình bộ phát nhiệt điện

Nếu một module thiết bị nhiệt điện (TEG) chuyển đổi một nhiệt lượng Q thành điện năng có công suất P với hiệu suất η thì ta có:

Hiệu suất η phụ thuộc vào vật liệu làm nên module TEG và nhiệt độ giữa mặt nóng Th và mặt lạnh Tc

Trong đó, ZT là hệ số nhiệt điện của vật liệu, phụ thuốc vào hệ số dẫn nhiệt λ, hệ số Seebeck S, độ dẫn điện σ và nhiệt độ của vật liệu theo công thức sau:

2.3 Mô hình tính toán mô phỏng CFD

Với mô hình mô phỏng dòng chảy của lưu chất khí bên trong đường ống có kết cấu phức tạp, tác giả chọn phần mềm phục vụ mô phỏng Ansys với công cụ

Mô hình dòng chảy qua bộ phát nhiệt điện là mô hình dòng chảy nội lưu, có độ nhớt và dòng chảy tĩnh ổn định theo thời gian Trong phần này, phần mềm Ansys với nền tảng CFD sẽ được dùng để mô phỏng dòng khí bên trong thiết bị nhiệt điện để đánh giá khí động học bên trong thiết bị

Phương trình toán học được sử dụng trong quá trình tính toán mô phỏng: Phương trình động lượng và phương trình liên tục

Lý thuyết mô hình toán học trong Ansys Fluent, Standar k-ɛ:

= −  (S là modul của tỉ số ứng suất tenso trung bình)

+ Ảnh hưởng của lực đẩy:

+ Hệ số giản nở vì nhiệt: 1

TÍNH TOÁN MÔ PHỎNG

Thông số đầu vào cho quá trình mô phỏng

3.1.1 Thông số xe thử nghiệm

Loại xe được sử dụng làm thí nghiệm là Honda Wave Alpha 110 với thông số kỹ thuật:

- Loại động cơ: Động cơ xăng 4 thì, 1 xilanh, 2 xupap, làm mát bằng gió, SOHC

- Đường kính (D) x hành trình (S) piston: 50,0 x 55,6 (mm)

- Hệ thống cung cấp nhiên liệu: Bộ chế hòa khí

- Ly hợp: Ly hợp ướt, tự động, loại ly tâm

- Các tỉ số truyền: o Tỉ số truyền ban đầu (i pr ): 4,059 (69/17) o Tỉ số truyền số 1: i1= 2,615 (34/13) o Tỉ số truyền số 2: i2= 1,555 (28/18) o Tỉ số truyền số 3: i3= 1,136 (25/22) o Tỉ số truyền số 4: i4= 0,916 (22/24) o Tỉ số truyền cuối (i fn ): 2,642 (37/14)

- Thông số lốp sau (bánh xe chủ động): 80/90 – 17

3.1.2 Thông số vật lí của khí thải

Vận tốc dòng chảy khí xả qua bộ phát nhiệt điện được mô phỏng qua các trường hợp trong điều kiện tương ứng khi xe di chuyển với vận tốc 10, 20, 30, 40 và

50 (km/h) Các thông số vật lý của khí xả bao gồm:

- Vận tốc dòng khí xả tại đầu vào ống giảm thanh

- Nhiệt độ của khí xả tại đầu vào ống giảm thanh

- Khối lượng riêng khí xả

- Độ nhớt động học của khí xả

3.1.2.1 Vận tốc dòng khí xả tại đầu vào ống giảm thanh

Tính toán vận tốc dòng khí với giả thuyết quá trình cháy diễn ra hoàn toàn trong xi-lanh của động cơ; bỏ qua sự thay đổi thể tích do thay đổi nhiệt độ và tổn hao vận tốc trên đường ống dẫn của hệ thống xả:

Dựa theo các thông số xe Honda Wave Alpha 110:

- Bán kính hoạt động bánh xe R h =0,92R=0,92 287,9 264,87 ( − mm)

- Tỉ số truyền (chọn ở tay số 4): 69 37 22 9,83

171424- Dung tích xy-lanh: V ct = 109 ( cm 3 )

- Đường kính ngoài cổ xả: D n !(mm)

- Đường kính trong cổ xả: D t (mm)

Khi xe di chuyển với vận tốc v = 10 ( km h / ) = 2, 78( m s / )

- Chu vi bánh xe: C bx =2R h =2 264,87 1664, 23 - Tốc độ góc bánh xe: 60 2, 78 60 100, 23( / )

- Tốc độ động cơ:   e = bx i0, 23 9,83 0 ( / )v p

Thực hiện tính toán tương tự đối với các vận tốc 20, 30, 40 và 50 km/h ta được tốc độ động cơ tương ứng với vận tốc xe như bảng bên dưới:

Bảng 3.1 Tốc độ động cơ ứng với vận tốc xe

STT Vận tốc xe (km/h) Tốc độ động cơ (v/p)

Vận tốc dòng khí qua xupap xả được tính theo công thức:

=   out e ct in exhaust gas t n n v

- n  = 0,85: Hệ số nạp của động cơ

- n in `, 5và n out d: Lần lượt là tổng số mol chất tham gia và sản phẩm của phương trình cháy

- D t (mm)=0, 017 ( )m : Đường kính trong của ống xả

- V ct = 109 ( cm 3 ) = 1.09 10 (  − 4 m 3 ): Dung tích xy-lanh động cơ

Với tốc độ động cơ được tính được ở Bảng 3.1 và dựa vào thông số kỹ thuật của xe thực nghiệm, ta tính được vận tốc dòng khí qua xupap tại vận tốc v km/h như sau:

Tính toán tương tự cho các vận tốc 20, 30, 40 và 50 km/h ta được bảng giá trị như bảng bên dưới:

Bảng 3.2 Vận tốc dòng khí xả theo vận tốc xe

STT Vận tốc xe (km/h) Tốc độ động cơ (v/p) Vận tốc dòng khí xả

3.1.2.2 Nhiệt độ khí xả tại đầu vào ống giảm thanh

Sử dụng cảm biến đo nhiệt độ, ta thu được giá trị nhiệt độ tại đầu vào ống giảm thanh như bảng bên dưới:

Bảng 3.3 Nhiệt độ khí xả theo vận tốc

STT Vận tốc xe (km/h) Tốc độ động cơ (v/p) Nhiệt độ khí xả (K)

3.1.2.3 Tính toán khối lượng riêng khí xả

Khối lượng riêng của khí xả được tính dựa trên thành phần phần trăm thể tích của các khí thành phần trong quá trình đốt cháy nhiên liệu Các khí thành phần được thể hiện ở phương trình cháy dưới đây:

Bảng 3.4 Mối liên hệ giữa số mol và khối lượng n (mol) 1 12,5 8 9 47

Dễ dàng thấy thành phần phần trăm theo thể tích các khí thành phẩm quá trình cháy là:

Từ tỷ lệ trên, ta tính được khối lượng riêng của các thành phần trong khí xả như bảng bên dưới:

Bảng 3.5 Khối lượng riêng các thành phần trong khí xả

STT Tốc độ động cơ (v/p)

Ta tính khối lượng riêng của khí xả tại vận tốc 10 km/h:

Tính toán tương tự với thông số tại Bảng 3.5 ta được bảng khối lượng riêng của khí xả theo từng tốc độ động cơ:

Bảng 3.6 Khối lượng riêng của khí xả theo tốc độ động cơ

STT Tốc độ động cơ (v/p) Nhiệt độ khí xả (K) Khối lượng riêng khí xả

3.1.2.4 Tính toán độ nhớt động lực học của khí xả Độ nhớt động lực học của khí xả cũng được tính dựa trên độ nhớt động lực học của các khí thành phần của khí xả trong phương trình cháy của động cơ Độ nhớt động lực học của các thành phần khí xả tại các vận tốc xe được thể hiện tại bảng bên dưới:

Bảng 3.7 Độ nhớt động lực học của các thành phần khí thải

Nhiệt độ khí xả (K) Độ nhớt động lực học (Ns m/ 2 )

Với thành phần khí xả như bên dưới:

Ta tính được độ nhớt động của các thành phần khí xả tại vận tốc xe 10 km/h, nhiệt độ khí xả 387 K như sau:

Từ đó tính được độ nhớt động lực học của khí xả như sau:

Tính toán tương tự với các tốc độ động cơ còn lại, ta được bảng giá trị:

Bảng 3.8 Độ nhớt động lực học của khí thải

STT Tốc độ động cơ

(v/p) Nhiệt độ khí xả (K) Độ nhớt động lực học

3.1.2.5 Tính toán hệ số trao đổi nhiệt của khí xả

Hệ số trao đổi nhiệt của khí xả được tính toán dựa trên hệ số truyền nhiệt của các khí thành phần trong khí xả và phần trăm thể tích của các khí đó trong khí xả Khi xe di chuyển với tốc độ 10 km/h tương ứng tốc độ động cơ là 990 vòng/phút và nhiệt độ khí xả trong điều kiện đó là 387 K Tương tự ứng với nhiệt độ khí xả tại các giá trị tốc độ động cơ còn lại ta có được hệ số truyền nhiệt (λ) của các khí thành phần được trình bày như bảng bên dưới:

Bảng 3.9 Hệ số trao đổi nhiệt theo thành phần khí xả

Hệ số trao đổi nhiệt  ( W m K / )

Với thành phần khí xả như bên dưới:

Ta tính được hệ số trao đổi nhiệt của các thành phần khí xả tại vận tốc xe 10 km/h, nhiệt độ khí xả 387 K như sau:

Từ đó tính được độ nhớt động lực học của khí xả như sau:

Tính toán tương tự với các tốc độ động cơ còn lại, ta được bảng giá trị:

Bảng 3.10 Hệ số trao đổi nhiệt của khí xả

STT Tốc độ động cơ (v/p) Nhiệt độ khí xả (K) Hệ số trao đổi nhiệt  ( W m K / )

Từ các kết quả tính toán bên trên, ta được bảng tổng hơp các thông số đầu vào phục vụ mô phỏng như sau:

Bảng 3.11 Tổng hợp thông số vật lí đầu vào

Vận tốc dòng khí xả

Khối lượng riêng khí xả

 kg m Độ nhớt động lực học

Hệ số trao đổi nhiệt

Cùng với áp suất đầu ra (outlet pressure) khí xả bằng áp suất khí quyển

(101.325 Pa), ta đã có đầy đủ thông số đầu vào của dòng khí xả

Bộ thu nhiệt sử dụng vật liệu nhôm với các thông số vật lí như sau:

- Khối lượng riêng của nhôm: 2700 kg/m 3

- Nhiệt dung riêng của nhôm: 870 J/kg.K

- Hệ số dẫn nhiệt của nhôm: 203 W/m.K

Tính toán biên dạng cánh thu nhiệt

Trước hết cần giải thích lý do vì sao nhiệt độ lại phân bố không đều theo chiều ngang Nguyên nhân là do với thiết kế cánh nguyên bản có dạng phẳng hình chữ nhật, phần đầu cánh tiếp xúc với khí xả nhiệt độ cao từ động cơ, sau đó truyền đến phía sau và xảy ra hiện tượng mất nhiệt, dẫn đến nhiệt truyền vào bộ đế thu không đồng đều theo phương ngang Dọc theo hướng di chuyển của khí xả qua bộ thu nhiệt, diện tích truyền nhiệt là không đổi nhưng phần đầu cánh tiếp xúc với khí nóng trước sẽ thu được nhiệt lượng lớn hơn Để giải quyết vấn đề này, chúng ta cần tìm giải pháp về một thiết kế biên dạng cánh có thể đáp ứng nhiệt lượng thu được ở các phần dọc theo chiều dài cánh là như nhau

Ta chia phần cánh của bộ thu nhiệt thành 10 phần bằng nhau theo chiều ngang Để nhiệt độ phân bố đều trên mặt nóng thì nhiệt lượng nhận được ở mỗi phần phải bằng nhau Mô hình tính toán được thể hiện ở bên dưới:

Ta có phương trình truyền nhiệt đối lưu dựa theo công thức Newton, dòng nhiệt trao đổi giữa bề mặt vật rắn và môi trường (trong 1 giây) được xác định:

Q : dòng nhiệt trao đổi giữa bề mặt vật rắn và môi trường trong 1 giây (W) α : hệ số trao đổi nhiệt đối lưu (W/m 2 K)

F : diện tích bề mặt trao đổi nhiệt (m 2 )

T w : nhiệt độ bề mặt vật rắn ( º C)

T f : nhiệt độ môi trường chất lỏng (hoặc khí) ( º C) Áp dụng công thức trên cho phần số một của cánh như trên Hình 3.1, ta được biểu thức:

Tính toán trên phần số 2:

Mà điều kiện ban đầu là nhiệt lượng ở các phần bằng nhau nên Q 1 =Q 2

Thực hiện các bước tính toán tiếp theo tương tự từ phần 5 đến phần 10 Số liệu dùng để tính được lấy từ Bảng 3.11 đồng thời kết hợp với dữ kiện cánh thu nhiệt có chiều dài tối đa là 68 mm ta có được các giá trị của y trong bảng bên dưới:

Bảng 3.12 Giá trị cao độ cánh y sau khi tính toán y1 = 19,00 (mm) y6 = 4,48 (mm) y2 = 10,18 (mm) y7 = 4,06 (mm) y3 = 7,33 (mm) y8 = 3,73 (mm) y4 = 5,92 (mm) y9 = 3,46 (mm) y5 = 5,06 (mm) y10 = 3,25 (mm)

Với số liệu tính được như trên, nối các điểm lại với nhau ta có được biên dạng cánh mới theo điều kiện đặt ra ban đầu và có dạng một đường cong như bên dưới

Hình 3.2 Biên dạng cánh thu nhiệt sau khi tối ưu

Hình bên dưới cho ta thấy được sự khác nhau giữa cánh thu nhiệt khi chuyển từ biên dạng hình chữ nhật (biên dạng gốc) sang biên dạng cong (biên dạng tối ưu)

Hình 3.3 Biên dạng cánh sau tính toán

Vì biên dạng tối ưu là biên dạng cong nên sẽ khó gia công thực tế Tiến hành nối điểm đầu và điểm cuối của cánh thu nhiệt, ta được biên dạng cánh hình thang

Hình 3.4 Biên dạng cánh hình thang

Trong nội dung luận văn, tác giả tiến hành thực hiện mô phỏng và thực nghiệm trên cả 3 biên dạng cánh thu nhiệt:

Mô phỏng nhiệt độ

Quá trình mô phỏng nhiệt bằng phần mềm được tóm tắt và trình bày trong sơ đồ ở bên dưới:

Hình 3.5 Tóm tắt quy trình mô phỏng

Các điểm chính của quy trình mô phỏng:

Nhập mô hình: Mô hình trong bài toán mô phỏng vận tốc này được vẽ bằng phần mềm Solidwork sau đó chuyển sang định dạng file STEP và đưa vào phần mềm ANSYS Fluent Mô hình được sử dụng có hai thành phần gồm phần bù ống giảm thanh và bộ thu nhiệt 21 cánh

Xây dựng lưới tính toán: Lưới Tetrahedron được sử dụng trong việc chia lưới cho phần bù ống tiêu âm và bộ thu nhiệt với xấp xỉ 9.2 triệu phẩn tử

Chất lượng của lưới được đánh giá theo chỉ số Skewness Các giá trị của chỉ số Skewness được trình bày ở bảng bên dưới Giá trị Skewness của mô hình chia lưới đánh giá là xuất sắc và có thể sử dụng để tính toán

Bảng 3.13 Phân bổ chất lượng lưới theo giá trị Skewness

Chất lượng Xuất sắc Rất tốt Tốt

Chất lượng Có thể chấp nhận Tệ Không thể chấp nhận Skewness 0,80 – 0,94 0,95 – 0,97 0,98 - 1 Đặt điều kiện biên: Điều kiện biên gồm Inlet Velocity, Inlet Temperature

(nhiệt độ, vận tốc của khí xả tại đầu vào ống giảm thanh) và Outlet Pressure (áp suất đầu ra của ống giảm thanh)

Hình 3.6 Mô hình mô phỏng

Khai báo vật liệu: Nhiệt độ trên đế bộ thu nhiệt cũng được mô phỏng với điều kiện vận hành của động cơ ở năm vận tốc là 990, 1.970, 2.955, 3.940 và 4.925 vòng/phút Các thông số vật lý của khí xả ở năm dãy tốc độ động cơ đã được trình bày ở Bảng 3.11 và thông số vật lý của nhôm, vật liệu chế tạo bộ thu nhiệt đã được trình bày trước đó

Chọn mô hình tính toán: Mô hình k – ε Standard được chọn cho bài toán bởi tính chất chảy rối của dòng lưu chất Bên cạnh đó, hàm Energy được áp dụng trong bài toán này để xác định được nhiệt độ phân bố trên hai bề mặt của TEG

Kết quả: Nhiệt độ phân bố trên đế bộ thu nhiệt là kết quả sau quá trình mô phỏng, để thuận tiện quan sát, 8 điểm trên đế bộ thu nhiệt sẽ được lấy giá trị nhiệt độ cụ thể như trên hình:

Hình 3.7 Vị trí 8 điểm lấy nhiệt độ trên bề mặt thu nhiệt

Kết quả mô phỏng nhiệt độ trên cánh thu nhiệt hình chữ nhật

Hình 3.8 Mô hình mô phỏng cánh hình chữ nhật

Hình 3.9 Kết quả mô phỏng tại 990 rpm

Hình 3.10 Kết quả mô phỏng tại 1.970 rpm

Hình 3.13 Kết quả mô phỏng tại 4.225 rpm Đối với biên dạng cánh hình chữ nhật (biên dạng gốc), nhiệt độ phân bố nhiều ở khu vực đầu ống xả, và chênh lệch nhiệt độ lớn Mức độ chênh lệch như bảng bên dưới:

Bảng 3.14 Chênh lệch nhiệt độ theo tốc độ động cơ

STT Tốc độ động cơ (v/p) Chênh lệch nhiệt độ max min

Kết quả mô phỏng nhiệt độ trên cánh thu nhiệt hình cong

Hình 3.14 Mô hình mô phỏng cánh cong

Hình 3.19 Kết quả mô phỏng tại 4.225 rpm Đối với biên dạng đường cong tính toán được, ta thấy chênh lệch nhiệt độ trên mặt nóng bộ thu nhiệt đã giảm đáng kể ở cả 5 dải tốc độ động cơ Bảng dưới cho ta thấy được độ chênh lệch nhiệt độ cũng như so sánh kết quả giữa hai trường hợp biên dạng của cánh thu nhiệt

STT Vận tốc xe (km/h)

Cánh hình chữ nhật Cánh cong Chênh lệch nhiệt độ max min

Chênh lệch nhiệt độ (  = T T max − T min )

Kết quả mô phỏng nhiệt độ trên cánh thu nhiệt hình thang

Hình 3.20 Mô hình mô phỏng cánh hình thang

Hình 3.25 Kết quả mô phỏng tại 4.225 rpm Đối với biên dạng cánh hình thang, chênh lệch nhiệt độ có tối ưu đáng kể, tuy nhiên không lớn như biên dạng cánh cong Điều này đã được dự báo trước vì biên dạng cánh hình thang được tạo thành theo giả thuyết tối ưu sản xuất, không theo biên dạng tối ưu được tính toán Chênh lệch nhiệt độ được thể hiện tại bảng bên dưới:

Cánh hình chữ nhật Cánh cong Cánh hình thang

Chênh lệch nhiệt độ max min

KIỂM TRA THỰC NGHIỆM

Xây dựng mô hình thực nghiệm

Mô hình bộ phát nhiệt điện sử dụng nguồn nhiệt từ khí thải động cơ xe gắn máy được mô hình hóa như Hình 4.1, trong đó là các chi tiết chính của bộ phát nhiệt điện như: Ống xả, bộ thu nhiệt, thiết bị nhiệt điện – TEG và bộ tản nhiệt

Tuy nhiên ở nghiên cứu này chỉ xét tới việc tối ưu hóa sự phân bố nhiệt độ của bộ thu nhiệt theo phương ngang nên sẽ không xét đến thiết bị nhiệt điện – TEG và bộ tản nhiệt

Hình 4.1.Mô hình kiểm tra thực nghiệm

Về kết cấu giảm thanh: Dựa trên mẫu ống xả của dòng xe thử nghiệm gốc với kết cấu giảm thanh sử dụng nhiều tấm lưới tiêu âm

Kết cấu và các thông số kết cấu của ống xả được thể hiện ở Hình 4.2:

Vật liệu chế tạo ống xả được liệt kê như sau:

- Thân ống xả: Thép tấm C45 dày 2 (mm), là vật liệu thông dụng trên thị trường với độ bền cao so với điều kiện làm việc và giá cả hợp lí

- Lưới tiêu âm: Lưới thép mạ kẽm với kích thước mắc lưới dày 2 (mm), có sẵn trên thị trường

- Cổ vào và cổ ra của khớ thải: Ống thộp mạ kẽm ỉ21x2 (mm)

- Bộ giảm tiếng ồn (trên cổ ra): Vải thủy tinh, đặc tính hấp thụ các sóng âm, làm giảm tiếng ồn trên cổ ra trước khi dòng khí thải thoát ra ngoài

Hình 4.3 Kết cấu ống xả

Hình 4.4 Kết cấu lưới tiêu âm

Bộ thu nhiệt được kế thừa từ bộ thu nhiệt của tác giả TS Hồng Đức Thông, Nguyễn Trọng Bình và cộng sự [14] với chất liệu nhôm, số lượng cánh là 21 cánh Biên dạng cánh được cắt theo biên dạng được tính toán tối ưu tại chương 3 của luận

Hình ảnh bộ thu nhiệt biên dạng cánh chữ nhật:

Hình 4.5 Bộ thu nhiệt biên dạng cánh chữ nhật

Hình 4.6 Bộ thu nhiệt biên dạng cánh chữ nhật

Hình ảnh bộ thu nhiệt biên dạng cánh cong:

Hình 4.8 Bộ thu nhiệt biên dạng cánh cong

Hình 4.9 Bộ thu nhiệt biên dạng cánh cong

Hình ảnh bộ thu nhiệt theo biên dạng cánh hình thang:

Dụng cụ thí nghiệm

Cảm biến nhiệt độ là dạng cảm biến chủ yếu được sử dụng để đo sự thay đổi nhiệt độ thì các cảm biến đưa ra tín hiệu cho các bộ đọc để quy ra nhiệt độ chính xác Để đo giá trị nhiệt độ, tác giả sử dụng cảm biến loại K với các thông số kĩ thuật:

- Nhiệt độ hoạt động : từ -50 đến 500oC

- Đường kính đầu dò: 4 mm

- Chiều dài đầu dò: 30 mm

Cấu tạo của cảm biến nhiệt độ loại K gồm bộ phận cảm biến là phần quan trọng nhất của khả năng chịu nhiệt, sau khi kết nối với đầu nối, nó được đặt bên trong vỏ bảo vệ Chất cách điện bằng gốm ngăn ngừa đoản mạch và cách điện các dây kết nối khỏi vỏ bảo vệ

Hình 4.11 Cấu tạo bên trong cảm biến

Hình 4.12 Cảm biến nhiệt độ loại K

Hiện nay trên thị trường có nhiều loại cảm biến đo nhiệt độ nhưng nhóm chọn cảm biến nhiệt độ loại K nguyên nhân là do loại cảm biến này phù hợp với bộ ghi dữ liệu Graphtec GL240 và dãy hoạt động của cảm biến cũng phù hợp với nhiệt độ của khí thải trong bộ tiêu âm cần khảo sát

Cảm biến trước khi được sử dụng trong thực nghiệm cần phải được hiệu chuẩn để có thể thu được kết quả đo chính xác nhất Hiệu chuẩn giúp đảm bảo giảm thiểu độ lệch của bảm biến Do quà trình hiệu chuẩn đòi hỏi thiết bị và độ chính xác cao nên nhóm luận văn đã thực hiện việc hiệu chuẩn tại Công ty TNHH TMDV Kỹ thuật đo lường Đồng Tâm (Hình 4.13) Sau khi hiệu chuẩn sẽ biết được sai số của cảm biến và cảm biến sẵn sàng cho thực nghiệm

Hình 4.13 Các thiết bị trong phòng thí nghiệm hiệu chuẩn cảm biến

4.2.2 Thiết bị ghi dữ liệu GRAPHTEC midi LOGGER GL240

Thiết bị này sẽ thu nhận tín hiệu từ các cảm biến nhiệt độ gửi về và hiển thị giá trị nhiệt độ thu nhận được lên màn hình, giúp ta xác định được nhiệt độ một cách dễ dàng

Thông số của thiết bị ghi dữ liệu:

- Số kênh vào tương tự: 10 kênh

- Nguồn: 100 đến 240 V AC qua adapter

Nguyên lý hoạt động: Cảm biến nhiệt độ hoạt động dựa trên nguyên tắc nhiệt điện Cụ thể, khi có sự chênh lệch nhiệt độ giữa đầu nóng và đầu lạnh thì sẽ có một suất điện động V được phát sinh tại đầu lạnh, chuyển thành tín hiệu điện truyền vào thiết bị ghi dữ liệu Thiết bị ghi dữ liệu sẽ đối chiếu tín hiệu này và đưa ra kết quả tương ứng trên màn hình

4.2.3 Đồng hồ đo tốc độ động cơ KOSO BA024B90

Tốc độ động cơ được đo bằng đồng hồ đo tốc độ KOSO BA024B90 đặt ở dây cao áp của động cơ Đồng hồ sẽ hiển thị số vòng quay của động cơ vào xe để ta có thể điều chỉnh tốc độ động cơ theo các chế độ mong muốn khi thử nghiệm Thông số của đồng hồ đo tốc độ động cơ:

- Máy đo tốc độ phạm vi Hiển Thị: 0 ~ 20.000 vòng/phút

- Hiệu quả Điện áp: DC 8 ~ 18 V

Nguyên lý hoạt động: Đồng hồ đo tốc độ động cơ hoạt động bằng cách đếm xung trên dây cao áp bu-gi (mỗi xung ứng với 1 lần bu-gi đánh lửa hay 1 lần nổ), tùy thuộc loại động cơ mà tính toán ra tốc độ máy tương ứng Cụ thể trên xe máy, động cơ 1 xi-lanh, 4 thì thì mỗi 2 vòng quay mới có 1 lần nổ (xuất hiện xung cao áp)

4.2.4 Cơ cấu duy trì tốc độ động cơ Để giúp cho việc duy trì tốc độ động cơ ổn định khi thử nghiệm, tay ga của phương tiện được trang bị một hệ thống giữ giúp người thử nghiệm có thể điều chỉnh động cơ hoạt động ở một tốc độ trong thời gian mong muốn (Hình 4.16)

Hình 4.16 Cơ cấu duy trì tốc độ động cơ

Sơ đồ bố trí mô hình thực nghiệm

Sơ đồ đo phân bố nhiệt độ trên bề mặt bộ trao đổi nhiệt được thể hiện qua Hình 4.17, trong đó đầu dò cảm biến được đặt tại vị trí phần rìa trên và phần rìa dưới ở cả bốn mặt cắt của tấm thu nhiệt (Hình 4.18): mặt cắt đầu vào 1-1, mặt cắt giữa 2-2 và 3-3, mặt cắt đầu ra 4-4 Đầu thu tín hiệu còn lại lắp vào các kênh của thiết bị ghi dữ liệu Giá trị nhiệt độ của cảm biến sẽ được hiển thị trên bàn hình của thiết bị ghi dữ liệu sau đó đưa vào máy tính xử lý

Hình 4.17 Mô hình bố trí thực nghiệm

Hình 4.18 Vị trí lắp đặt cảm biến vào ống xả

Hình 4.19 Thiết bị đọc nhiệt độ

Trong quá trình lắp đặt có sử dụng keo tản nhiệt để giảm khe hở giữa cảm biến nhiệt độ và lỗ cảm biến nhằm tăng độ chính xác trong quá trình đo

Hình 4.21 Tổng thể mô hình thí nghiệm

Hình 4.22 Tổng thể mô hình thí nghiệm (tt)

Quy trình thực nghiệm

Thực hiện kết nối, lắp đặt hoàn chỉnh hệ thống thí nghiệm Kiểm tra tính hoạt động ổn định của hệ thống thí nghiệm và các thiết bị hỗ trợ.

Bước 1: Khởi động động cơ, để động cơ chạy ở chế độ cầm chừng đến khi nhiệt độ của các cảm biến đạt mức ổn định (Quan sát được từ đồ thị nhiệt độ các cảm biến ở máy Graphtech GL240)

Bước 2: Điều chỉnh tốc độ động cơ đến giá trị mong muốn

Bước 3: Quan sát sự thay đổi của nhiệt độ trên bề mặt mặt nóng của bộ phát nhiệt điện và chờ cho đến khi giá trị nhiệt độ của tất cả các kênh thu thập đều dao động quanh 1 giá trị nào đó (Mỗi kênh tương ứng với một giá trị)

Chú ý: Quá trình này diễn ra rất lâu (15-30 phút) nên cần có sự giám sát tốc độ động cơ liên tục để tránh xảy ra sai lệch (Tốc độ động cơ chạy ở chế độ không tải sẽ rất nhạy với độ mở bướm ga)

Hình 4.23 Đọc dữ liệu khi nhiệt độ ổn định

Bước 4: Tiếp tục duy trì chế độ vận hành trên thêm khoảng 2-3 phút, nếu không có sự thay đổi lớn nào nữa thì ghi nhận giá trị đo được gồm nhiệt độ 9 cảm biến và lưu lượng khí nạp

Bước 5: Quay lại Bước 2 đến Bước 4, thực hiện với tốc độ động cơ khác cho đến khi hoàn thành dải tốc độ cần khảo sát

Bước 6: Điều chỉnh động cơ về lại chế độ cầm chừng, để động cơ tiếp tục hoạt động trong vòng khoảng 5 phút, sau đó tắt động cơ, kết thúc thử nghiệm

Mỗi trường hợp thử nghiệm được thực hiện lặp lại 3 lần, và kết quả là giá trị trung bình của các lần thử nghiệm đó

Hình 4.24 Nhập dữ liệu vào máy tính

Kết quả thực nghiệm

Quy ước điểm lấy nhiệt độ:

Hình 4.25 Quy ước các điểm lấy nhiệt độ

Kết quả đo nhiệt độ tại các trường hợp cánh:

Bảng 4.1 Kết quả đo nhiệt độ với cánh hình chữ nhật:

(rpm) Điểm lấy nhiệt độ

Bảng 4.2 Kết quả đo nhiệt độ với cánh cong:

Bảng 4.3 Kết quả đo nhiệt độ với cánh hình thang:

Ta có kết quả tính toán chênh lệch nhiệt độ và hiệu quả cánh:

Bảng 4.4.Chênh lệch nhiệt độ của các biên dạng cánh

Cánh hình chữ nhật Cánh cong Cánh hình thang

Chênh lệch nhiệt độ max min

5 4.925 29,24 18,27 37,51% 18,24 37,61% Ở vòng tua thấp, chênh lệch nhiệt độ của cánh cong và cánh hình thang cao hơn so với cánh nguyên bản hình chữ nhật, tuy nhiên mức chênh lệch không đáng kể (0.1 – 0.4 O C)

Khi lên vòng tua cao, mức độ chênh lệch được cải thiện (từ 24 – 45% đối với cánh cong và từ 15 – 42% đối với cánh hình thang) Điều này chứng tỏ việc thay đổi biên dạng đã giúp tối ưu vùng nhiệt phân bổ trên bộ cánh thu nhiệt, giúp bộ phát nhiệt – điện vận hành ổn định, đảm bảo tuổi thọ cho bộ phát TEG.

Đối chiếu kết quả mô phỏng và thực nghiệm

Ghi chú cách trình bày tại mỗi ô nhiệt độ:

4.6.1 Biên dạng cánh hình chữ nhật:

Hình 4.26 Kết quả mô phỏng và thực nghiệm tại 990 rpm

Hình 4.27 Kết quả mô phỏng và thực nghiệm tại 1,970 rpm

4.6.3 Biên dạng cánh hình thang:

Do nhiệt độ tại cùng một mặt cắt (A1 với B1; A2 với B2; A3 với B3; A4 với B4) không chênh lệch nhau quá nhiều, và bộ phát nhiệt điện đã được điều chỉnh để phân bổ nhiệt độ đều theo phương ngang do đó tác giả lấy số liệu trung bình trên cùng một mặt cắt để làm số liệu tính toán, biểu diễn đồ thị Ta có bảng:

Bảng 4.5 Dữ liệu tổng hợp cánh hình chữ nhật

Mô phỏng ( O C) Thực nghiệm ( O C) Mặt cắt

Bảng 4.6 Dữ liệu tổng hợp cánh cong

Bảng 4.7 Dữ liệu tổng hợp cánh hình thang

Biểu diễn kết quả trên đồ thị:

Hình 4.41 Đồ thị nhiệt độ theo các trường hợp

Tổng thể nhiệt độ có sự chênh lệch giữa mô phỏng và thực nghiệm do:

- Mô phỏng và thực nghiệm có sự sai khác ở điều kiện dòng khí xung quanh ống xả, tại điều kiện thực nghiệm gồm rất nhiều yếu tố phức tạp nên không thể mô phỏng điều kiện chính xác

- Thực nghiệm có sự thất thoát dọc ống xả, tuy nhiên kết quả thực nghiệm được lấy nhiều lần đều cho ra cùng kết quả nên kết quả này là hội tụ

Các cơ chế dẫn đến kết quả thực nghiệm:

Biên dạng cánh hình chữ nhật nguyên bản cho ra nhiệt độ cao và chênh lệch nhiều ở các mặt cắt Nguyên nhân vì chiều cao của cánh đồng nhất từ trước ra sau, nên khu vực gần cổ ống xả (mặt cắt 1) sẽ có nhiệt độ cao, và giảm mạnh khi về phía đuôi ống xả (mặt cắt 4) Đối với biên dạng cánh cong và cánh hình thang, mức chênh lệch nhiệt độ T không quá lớn, vì biên dạng cánh đã được điều chỉnh thích ứng sao cho chênh lệch nhiệt độ thấp nhất có thể Các chênh lệch nhiệt độ lớn dần khi tăng tốc độ động cơ vì khi đó nhiệt độ dòng khí xả cao và vận tốc khí xả lớn, dẫn đến hiệu quả dẫn nhiệt và truyền nhiệt chưa hiệu quả

Các cơ chế dẫn đến khác biệt giữa kết quả mô phỏng và thực nghiệm: Đối với cánh hình chữ nhật, kết quả mô phỏng và thực nghiệm đều cho ra kết quả nhiệt độ giảm dần từ đầu đến cuối ống xả Đối với cánh cong và cánh hình thang, kết quả mô phỏng cho thấy nhiệt độ tăng dần từ đầu đến cuối ống xả, tuy nhiên thực nghiệm cho kết quả ngược lại với nhiệt độ giảm dần Nguyên nhân của hiện tượng này là do điều kiện mô phỏng là hệ kín, cánh bị vát đi thì không khí mang nhiệt lượng cao dễ dàng di chuyển về phần cuối ống xả và làm gia tăng nhiệt độ cho khu vực này Còn thực nghiệm có sự thất thoát nhiệt do đó nhiệt lượng truyền ra bên ngoài theo thành ống xả nên nhiệt lượng thất thoát dần từ đầu đến cuối ống xả

Ngoài ra còn có một số yếu tố khác như: mụi than trên các cánh thu nhiệt, khó cố định được tốc độ động cơ, bị mất nhiệt từ tấm thu nhiệt đến cảm biến,… cũng là các nguyên nhân gây ra thất thoát nhiệt, dẫn đến sự khác biệt giữa kết quả mô phỏng và thực nghiệm

Hiệu quả chênh lệch nhiệt độ:

Hình bên dưới mô tả chênh lệch nhiệt độ T theo từng biên dạng cánh và theo từng trường hợp vận hành Đối với cánh chữ nhật nguyên bản, chênh lệch nhiệt độ T rất lớn, kết quả thực nghiệm cho thấy chênh lệch này lên đến hơn 26 O C tại vòng tua 4,925 rpm Khi thay cánh thu nhiệt bằng cánh cong, chênh lệch nhiệt độ T đã được cải thiện, chỉ còn từ 2,7 – 18,27 O C, cải thiện đến 45% so với cánh nguyên bản

Tiếp tục thay cánh thu nhiệt bằng cánh hình thang, chênh lệch nhiệt độ vẫn được cải thiện so với cánh chữ nhật nguyên bản, mức cải thiện lên đến 42% Tuy không thật sự hiệu quả như cánh cong thế nhưng đây là hình dạng dễ gia công, cân bằng được giữa lợi ích kinh tế và lợi ích thu nhiệt

Hình 4.42 Đồ thị chênh lệch nhiệt độ theo các trường hợp Đối chiếu chênh lệch với nhiệt độ trung bình:

Lấy giá trị trung bình của kết quả thực nghiệm từng trường hợp cánh đối chiếu với chênh lệch nhiệt độ được cải thiện để xem xét mức độ hiệu quả:

Bảng 4.8 Đối chiếu chênh lệch với nhiệt độ trung bình (cánh cong)

Trung bình nhiệt độ ( O C) Cải thiện chênh lệch nhiệt độ Tỷ lệ

Bảng 4.9 Đối chiếu chênh lệch với nhiệt độ trung bình (cánh hình thang)

Trung bình nhiệt độ ( O C) Cải thiện chênh lệch nhiệt độ Tỷ lệ

Với cách đối chiếu này, ta thấy các chênh lệch nhiệt độ chiếm phần nhỏ (từ

1% - 5%) nhiệt độ trung bình của cánh thu nhiệt theo từng biên dạng Đây là kết quả đáng kể, chứng tỏ tính hiệu quả của biên dạng cánh thu nhiệt khi được tối ưu.

Tiêu đề	Khảo sát sự ảnh hưởng hình học cánh thu nhiệt đến sự phân bố nhiệt độ theo chiều dọc của bộ phát nhiệt điện sử dụng nguồn nhiệt thải từ xe gắn máy
Tác giả	Nguyễn Ngọc Hữu
Người hướng dẫn	TS. Hồng Đức Thông
Trường học	Trường Đại học Bách Khoa
Chuyên ngành	Kỹ Thuật Cơ Khí Động Lực
Thể loại	Luận văn Thạc sĩ
Năm xuất bản	2022
Thành phố	TP. Hồ Chí Minh

Định dạng
Số trang	82
Dung lượng	4,07 MB